JPS63305572A

JPS63305572A - 超伝導三端子素子

Info

Publication number: JPS63305572A
Application number: JP62141766A
Authority: JP
Inventors: Junichi Sone; 曽根　純一
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1987-06-05
Filing date: 1987-06-05
Publication date: 1988-12-13
Also published as: JPH0577350B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は超伝導素子に係り、特に半導体障壁を用いた超
伝導三端子素子に関する。

（従来の技術）超伝導電極と２つのトンネル接合からなる超伝導三端子
素子は例えばアップライド・フイズイクス・レターズ（
Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）誌
３２巻６号３９２頁〜３９５頁に述べられている。第４
図は従来例の超伝導三端子素子を説明するための図で、
同じ超伝導ギヤノブエネルギーΔを持つ３つの超伝導体
１，２，３．及びそれらにはさまれたトンネル障壁４，
５からなる。

超伝導体１，２．３はそれぞれエミッタ、ベース、コレ
クタ電極を形成する。第５図は該超伝導三端子素子の動
作を説明するためのエネルギー・ダイアグラムである。

（ａ）は該素子がオフ状態にあるときの動作を示してお
り、ベース・コレクタ間に２Δ／ｅ（ｅは’２子の電荷
）よりも小さな電圧ＶＢＣが、またエミッタ・ベース間
には零電圧が印加されている。図中点線はフェルしエネ
ルギーＥＦを示し、斜線部で示されるエネルギー状態は
各々電子により占有されている。この状態では超電導体
２にいる電子は超電導体３中に、電子に占有されていな
いエネルギー状態を見出せないためトンネルすることが
できず、超電導体２と３の間にはトンネル電流は流れな
い。

第５図（ｂ）は該素子がオン状態にあるときの動作を示
しておりベース・コレクタ間に２Δ／ｅよりも小さなベ
ースコレクタ電圧ＶＩ３０が、またエミッタ・ベース間
には２Δ／ｅよりも大きな電圧ＶＢＥが印加されている
。

この状態では超電導体１にいる電子は超電導体２中に電
子に占有されていないエネルギー状態を見いだす二とが
でき、図中矢印で示される如く、超伝導体１から超伝導
体２ヘトンネルする。トンネルした電子は超伝導体２中
で準粒子となり、拡散してトンネル障壁５に達する。前
記重粒子は超伝導体３中にエネルギーを保存し、電子に
占有されていないエネルギー状態を見い出すことができ
、図中矢印で示される如く超伝導体２から超伝導体３に
トンネルする。このトンネル電流はコレクタ電流Ｉｃと
なり、コレクタ電極を流れ、該素子の出力電流となる。

以上の説明かられかる様に該素子はスイッチング素子と
して働く。エミッタ電極１から注入された電子はベース
２中で準粒子として存在し、平均的に有限の生存時間工
をもって、クーパ一対（超伝導電子）へと再結合する。

再結合の結果、生じたクーパ一対はコレクタ電極３に達
することができず、ベース電極２からベース端子へと流
れ、損失電流ＩＢとなる。従ってエミッタ電極１からエ
ミッタ電流■Ｅとしてベース電極２に注入された電子の
大部分がコレクタ電極３に達するには準粒子が再結合に
よりクーパ一対になる割合ｒＲ（＝ｔ−１）がトンネル
接合５をトンネルする割合ＦＴに比べて十分車さいこと
が必要である。これは動作温度を選ぶこと、あるいはト
ンネル接合５の膜厚を十分薄くし、トンネルする割合を
大きくすること等によって可能である。

同時にこの素子の動作においては、エミッタ・ベース間
電圧を２Δ／ｅ以上に設定しなければベース電極に準粒
子を注入することができず、またベース・コレクタ間電
圧は２Δ／ｅ以内にしないと、オフ状態でベース・コレ
クタ間にリーク電流が発生する。このため、この素子を
能動素子として動作させる場合には入力電圧となるＶＢ
Ｅと、出力電圧となるＶＩ３Ｃの比ＶＢＥＡ’ＢＣは１
以上となり、この素子は電圧利得をもたない、即ち電力
利得をもたない。

上記の事情はエミッタ電極１として超伝導体でなく、有
限の電気抵抗を持つ正常導体を用いれば若干の改良が可
能である。第６図は正常導体のエミッタ電極を有する超
伝導三端子素子の動作状態を示すエネルギー・ダイアグ
ラムである。エミッタ電極１よりベース電極２へ準粒子
を注入するに必要なエミッタ・ベース間電圧ＶＢＥはΔ
／ｅ以上あればよく、従ってこの場合の入力電圧と出力
電圧の比ＶＢＥ／ＶＢＣは１／２近くまで下がり、該素
子は２に近い電圧利得を持つことが可能である。

しかしながら、この様な小さな電圧利得、電力利得しか
持てない様な三端子素子は、実際の応用、例えばマイク
ロ波ミリ波といった高周波帯における能動素子として動
作させることが困難である。

（発明が解決しようとする問題点）従来の超伝導三端子素子においてはベース電極となる超
伝導体２とコレクタ電極となる超伝導体３とに同等の超
伝導ギャップを持つ様な材料を用いていたため電圧利得
が取れなかった。

本発明の目的は上述の従来の超伝導三端子素子の持つ欠
点を除去し、電圧利得の大きな超伝導三端子素子を提供
することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明によれば、第１の導体、トンネル障壁、超伝導体
、半導体、第２の導体の積層構造を備えた超伝導三端子
素子において、前記半導体と前記第２の導体とはオーミ
ック接触を形成し、前記超伝導体ト前記半導体はショッ
トキ障壁を形成し、該ショア）キ障壁の高さは前記超伝
導体の超伝導ギャップ・エネルギーよりも大きく、前記
ショットキ障壁の幅は前記超伝導体中の準粒子がトンネ
ルできるものであることを特徴とする超伝導三端子素子
が得られる。

（作用）イツトリウム・バリウム・銅・酸素の混合物（以下ＹＢ
ＣＯと略記する）等からなる酸化物超伝導体は超伝導転
移温度が９０°にと高く超伝導ギャップエネルギーが数
十ｍｅＶに達することが予懇、される。

一方、半導体と超伝導体、あるいは正常導体との界面に
は一般にショットキ障壁が形成される。

半導体として例えばギャップエネルギーが２００ｍｅＶ
（７７°Ｋ）のインジウム−アンチモンを、超伝導体と
して例えばギヤツブエネルギー２５ｍｅＶの前記ＹＢＣ
Ｏを選び、半導体の導体の界面でフェルミ面が半導体ギ
ャップの中央にくると想、定すると、ショットキ障壁の
高さは１００ｍｅＶとなる。このときＹＢＣＯの超伝導
体中でクーパ対を形成している電子（超伝導電子）にと
っては半導体ショットキ障壁の高さは１２５ｍｅＶ、同
じく超伝導体中で準粒子となっている電子にとっては半
導体ショットキ障壁の高さは７５ｍｅＶとなる。前記文
献フィズイクス・オブ・セミコンダクタ・ディバイスイ
ズ（Ｐｈｙｓｉｃｓ　ｏｆＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
　Ｄｅｖｉｃｅｓ）５２０頁から５２７頁を参照すれば
わかるように、ポテンシャル障壁を電子がトンネルする
確率ＦＴは、ポテンシャル障壁のエネルギーをＶとする
と、となる。ここでｍ本は半導体中の電子の有効質景、ｅは
電子の電荷、ｈはブランク定数を２■で除したもの、Ｅ
は半導体中の電界の強さである。上記により、準粒子と
超伝導電子の見るショノ）・キ障壁の高さの違い、１２
５ｍｅＶと７５ｍｅＶの差によって、両者の間で、ショ
ットキ障壁をトンネルする確率の比を十分大きくとるこ
とが可能である。

従ってベース電極を形成する例えばＹＢＣＯ超伝導体と
インジウム、アンチモンからなる半導体を隔てて設けら
れる第２の導体（コレクタ電極）の間に前記超伝導体の
超伝導ギヤツブ電圧Δ／ｅ以上の大きな電圧ＶＢＣを印
加しても超伝導電子がトンネルしない状況が実現できる
。同時にエミッタ電極を形成する第１の導体からベース
電極へ準粒子を注入し、この準粒子は続けて前記ショッ
トキ障壁をトンネルし、コレクタ電極へ到達させること
が可能である。これにより電圧利得、電力利得を有する
超伝導三端子素子が実現できる。

（実施例）第１図は本発明の詳細な説明するための構成図である。

この実施例はアルミニウムからなる第１の導体１０、ア
ルミニウム酸化膜からなる第１のトンネル障壁１１、Ｙ
ＢＣＯからなる酸化物超伝導体１２、ｎ型にドープされ
たインジウム・アンチモンからなる半導体１３、金・ゲ
ルマニウム・ニッケルからなる第２の導体１４から形成
される。前記導体１０、超伝導体１２、導体１４はそれ
ぞれエミッタ電極、ベース電極、コレクタ電極を形成す
る。

第２図は該超伝導三端子素子の動作を説明するためのエ
ネルギー・ダイアダラムで（ａ）がオフ状態、（ｂ）が
オン状態を示す。動作温度としては液体窒素温度（７７
°Ｋ）を想定する。前記￥ＢＣＯ超伝導体１２の超伝導
ギャップ電圧Δ／ｅは２５ｍｅＶ、　ｎ型インジウム・
アンチモン１３とＹＢＣＯ超伝導体１２とのショットキ
障壁の高さは１００ｍｅＶとする。インジウム・アンチ
モンと金・ゲルマニウム・ニッケルの合金とは３５０°
Ｃ程度の高温下でアロイさせることによりオーミック・
コンタクトが形成できる。

（ａ）の動作状態ではベース・コレクタ間に前記超伝導
ギャップ電圧２５ｍｅＶよりも十分大きな電圧ＶＢＣが
印加されている。一方、エミッタ・ベース間には零電圧
が印加されている。この状態では前記ベース電極１２中
の超伝導電子は１２５ｍｅＶの高さのショットキ障壁の
ため、はとんどコレクタ側にトンネルすることができな
い。従ってこの状態ではコレクタ電流■ｃは流れない。

（ｂ）の状態ではΔ／ｅ以上の電圧ＶＢＥがエミッタ・
ベース間に印加され、エミッタ電極１０から電子がベー
ス電極１２中に注入される。注入された電子は準粒子と
なりベース電極１２中を拡赦し、半導体１３と超伝導体
１２との界面にできるショットキ・障壁をトンネルし、
コレクタ電極１４中に現われる。超伝導体１２中で準粒
子がクーパ対へと再結合する割合が、ショットキ・障壁
をトンネルする割合に比べ十分車さいとすると、エミッ
タ電ＪＥはコレクタ電流■。にほぼ等しい。前述した如
くベース・コレクタ間にはエミッタ・ベース間電圧ＶＥ
Ｂ（ミΔ／ｅ）に比べ十分大きな電圧を印加できるので
、該超伝導三端子素子においては、大きな電圧利得、電
力利得が得られることがわかる。

第３図は前記実施例において、インジウム・アンチモン
からなる半導体１３の超伝導体１２側に近い方を高濃度
のｎ型にドープし、残りを低濃度のｎ型にドープした超
伝導三端子素子のエネルギー・ダイア、　ダラムである
。同図に示される如く、高濃度ｎ型のインジウム・アン
チモン領域２０では電気ポテンシャルは急激に低下する
ため、超伝導体１２中の準粒子にとってはトンネルすべ
きショットキ障壁は高さは同じだが幅が短くなり、一様
にドープされた第２図の場合に比べ、トンネル確率が大
幅に上昇する。−吉川伝導電子は、低濃度にドープされ
たインジウム、アンチモン領域２１をやはりトンネルし
なければならず、トンネル確率はさほど上昇しない。こ
の結果、超伝導電子と準粒子のトンネルする確率の比を
大きく取れるだれでなく、準粒子のトンネルする割合を
、クーパ一対に再結合する割合に比べ大きく取ることが
でき、注入された準粒子の大部分がコレクタ電極１４側
に抜け、損失電流となるベース電流を小さくすることが
可能である。

第１図の実施例に示す超伝導三端子素子は第４図（ａ）
〜（ｄ）に示す製造工程に従って作製することができる
。ｎ型にドープされたインジウム・アンチモン基板１３
上に厚さ１ｏｏｏＡのＹＢＣＯ薄膜１２をスパッタリン
グ法で形成し、続いて厚さ５０人のアルミニウム薄膜２
２を蒸着する（第４図（ａ））。

続いて酸素雰囲気で前記アルミニウム薄膜２２を熱酸化
し、アルミニウムの酸化膜１１を形成、その後厚さ２０
００人のアルミニウム薄膜１０を蒸着する（第４図（ｂ
））。

フォトリソグラフィ技術により塗布されたレジスト膜を
パターニングし、塩素系ガスによりアルミニウム薄膜１
０を、アルゴンガスによりアルミニウムの酸化膜１１を
エツチングする。続いて前記レジスト膜を除去後、新た
に塗布されたレジスト膜をパターニングし、アルゴンガ
スによりＹＢＣＯ薄膜をエツチングする。続いてレジス
ト膜除去後シリコン酸化膜５ｉ０２２２をスパッタリン
グ法で形成し、エツチングにより開口部を設け、パター
ニングされたアルミニウム薄膜２３．２４によりそれぞ
れエミッタ電極、ベース電極用配線を形成する第４図（
Ｃ））。

その後、前記インジウム・アンチモン基板１３の裏側に
金ｌゲルマニウムｌニッケル２５を積層蒸着し、４００
°Ｃでアロイさせることにより前記インジウム・アンチ
モン基板１３とオーミック接触をしたコレクタ電極２５
が形成できる（第４図（ｄ））。以上により該超伝導三
端子素子の製作が可能である。

なお本実施例においては半導体としてインジウム・アン
チモンを用いたが、ゲルマニウム、シリコン、砒化ガリ
ウム等、他の半導体であってもよい。

（発明の効果）以上に詳しく説明した様に本発明によれば電圧利得電力
利得の大きい超伝導三端子素子が提供でき、マイクロ波
、ミリ波等超高周波数帯における能動素子として応用が
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超伝導三端子素子等の一実施例を
説明するための構成図を、第２図、第３図は前記実施例
の超伝導三端子素子の動作を説明するためのエネルギー
、ダイアグラムで第２図（ａ）はオフ状態、第２図（ｂ
）および第３図はオン状態を示す。第４図は該超伝導三
端子の製作工程図、第５図は超伝導三端子素子の従来例
を説明するための構成図、第６図は前記従来例の動作を
説明するためのエネルギー・ダイアグラムで（ａ）はオ
フ状態、（ｂ）はオン状態である。第７図は前記従来例
の超伝導体からなるエミッタ電極を正常導体からなるエ
ミッタ電極に置き換えた超伝導三端子素子の動作を説明
するためのエネルギー・ダイアグラムである。１．１０・・・第１の導体、２，１２・・・超伝導体、
３，１４・・・第２の導体、４，５．１１・・・トンネ
ル障壁、１３・・・半導体、２０・・・高濃度にドープ
された半導体、２１・・・低濃度にドープされた半導体
、２２・・・シリコン酸化膜、２３１．・エミッタ電第
１図１１　トンネル障壁コレクタ端子第２図（ａ）１０：第１の導体１１　：トンネル障壁１２：超伝導体１３：半導体１４：第２の導体第２図１％５（ｂ）第３図第４図（Ｃ）（Ｃｌ）　　　　　　　２りコレクタ電早函第５図４第１のトンネル障壁５第２のトンネル障壁第６図（ａ）（ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１の導体、トンネル障壁、超伝導体、半導体、
第２の導体の積層構造を備えた超伝導三端子素子におい
て、前記半導体と前記第２の導体とはオーミック接触を
形成し、前記超伝導体と前記半導体はショットキ障壁を
形成し、該ショットキ障壁の高さは前記超伝導体の超伝
導ギャップ・エネルギーよりも大きく、前記ショットキ
障壁の幅は前記超伝導体中の準粒子がトンネルできるも
のであることを特徴とする超伝導三端子素子。